鈦和鎂晶格再取向及合金化效應(yīng)的第一原理研究.pdf

1、密排六方結(jié)構(gòu)中的{10(1)2}<10(1)(1)>孿晶由于可以提供獨(dú)立的滑移系而成為一個(gè)重要的變形方式。這一孿生模式在改善密排六方結(jié)構(gòu)及其合金的塑性上具有顯著的實(shí)際意義。不論在{10(1)2}孿晶豐富的鎂中和相對(duì)較少的鈦中，都能夠通過(guò)抑制或者促進(jìn)這一孿晶的產(chǎn)生而改善強(qiáng)度或者塑性。
　　與傳統(tǒng)的孿生模式不同，近期的研究工作在Mg、Ti和Co中確定了一種新的變形模式（晶格再取向）。這一變形模式產(chǎn)生的基體與孿晶的取向關(guān)系與傳統(tǒng){10(

2、1)2}孿晶類(lèi)似，其成核是借助晶格局部直接取向轉(zhuǎn)變的方式進(jìn)行的，從而產(chǎn)生一個(gè)基面/柱面界面。轉(zhuǎn)變前后垂直的取向關(guān)系和基面/柱面的轉(zhuǎn)換對(duì)合金設(shè)計(jì)具有重要的啟示。但是有關(guān)這一變形模式的一些重要細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如轉(zhuǎn)變路徑以及合金化影響等仍然需要明確。因此本文采用第一原理計(jì)算方法，對(duì)與晶格再取向變形模式緊密相關(guān)的一些問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　首先，采用高通量第一原理計(jì)算的方法，在一系列具有密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，包括Be、Mg、Sc、Ti、Co、Y、

3、Zr、Tc、Ru、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Hf、Re和Os中，系統(tǒng)研究了與{10(1)2}孿晶相關(guān)的晶格再取向轉(zhuǎn)變的能量路徑。結(jié)果表明，不同密排六方金屬中再取向過(guò)程需要不同的激發(fā)能，在這些被研究的體系中，Mg中晶格再取向過(guò)程需要的激發(fā)能最低，而Os最高。所有密排六方金屬中的晶格再取向過(guò)程所需要的能量按照Mg、Gd、Tb、Dy、Zr、Tc、Ti、Ho、Y、Co、Er、Sc、Be、Tm、Lu、Hf、Re、Ru和Os依次增加

4、。這些結(jié)果解釋了為何晶格再取向模式能夠在Mg的納米柱壓縮實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到，但是只能在Ti的高應(yīng)變速率的原子尺度模擬中出現(xiàn)。
　　然后，本文將鈦和鎂中的晶格再取向分解為剪切變形和原子重排兩個(gè)自由度。結(jié)果表明，在鎂中原子重排部分貢獻(xiàn)了激發(fā)能的主要部分;但是在鈦中，當(dāng)相對(duì)剪切變形量足夠大時(shí)，隨后的原子重排部分為能量下降過(guò)程。根據(jù)這一區(qū)別，將所研究的19種密排六方金屬分為兩組。第一組包括Ti、Tc、Be、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Zr、Er

5、、Sc、Hf、Lu和Tm，在這一組中如果相對(duì)剪切變形量達(dá)到一個(gè)適當(dāng)?shù)某潭龋ㄖ辽偈强偧羟凶冃瘟康?0％），隨后的原子重排部分就是一個(gè)能量下降過(guò)程;第二組包括Mg、Co、Ru、Re和Os，在這一組中不論相對(duì)剪切變形量達(dá)到多少，隨后的原子重排部分都是能量升高過(guò)程。這些結(jié)果定性的解釋了目前密排六方金屬中所觀察到的現(xiàn)象，闡明了對(duì){10(1)2}孿晶行為的一個(gè)廣義理解，并以改善材料性能作為目的。
　　隨后，本文詳細(xì)研究了合金元素對(duì)晶格再取向的

6、影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)合金化可以有效減少晶格再取向過(guò)程所需要的能量。在合金化后的Ti中，這一降低作用表現(xiàn)的更加明顯，并且合金元素的某些性質(zhì)和晶格再取向過(guò)程所需要的能量之間存在明顯的負(fù)相關(guān)。當(dāng)相對(duì)剪切變形量大于65％時(shí)，任何一種合金元素都可以使Ti中原子重排的能壘消失;但是對(duì)于Mg來(lái)說(shuō)，僅有La、Zr和Mn的添加可以在相對(duì)剪切變形量大于95％時(shí)，使Mg中原子重排的能壘消失。這一結(jié)果表明，在Mg及其合金的晶格再取向過(guò)程所需要的能量中，原子重排所需要

7、能量總是一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分。因此，相對(duì)于Ti及其合金，在相對(duì)較低溫度下，原子重排是Mg及其合金中孿晶形成的阻礙，導(dǎo)致其{10(1)2}孿晶具有溫度依賴(lài)的特點(diǎn)。
　　在密排六方金屬中，作為一個(gè)重要因素的c/a比與材料的許多性質(zhì)密切相關(guān)，比如在結(jié)構(gòu)材料中極其重要的位錯(cuò)和孿生行為。因此，本文同樣采用第一原理方法高通量計(jì)算了鈦合金和鎂合金中的c/a比。其結(jié)果表明，合金元素對(duì)Ti和Mg的c/a比產(chǎn)生周期性的影響。在所研究的合金元素中，M